化工原理课件(天大版).ppt

2023/8/10,1,化工原理Principles of Chemical Engineering,使用教材：姚玉英主编，化工原理，天津大学出版社，1999参考教材：陈敏恒主编，化工原理，化学工业出版社，2002蒋维钧主编，化工原理，清华大学出版社，1993,2023/8/10,2,0 绪论,1 流体流动,2 流体输送机械,3 非均相物系的分离和固体流态化,5 蒸馏,6 吸收,7 蒸馏和吸收塔设备,8 液液萃取,9 干燥,4 传热,2023/8/10,3,0 绪论,0.1 化工生产与单元操作,0.2 单位制与单位换算,0.3 物料衡算与能量衡算,2023/8/10,4,0 绪论,0.1 化工原理课程的性质和基本内容1.化工生产过程,2023/8/10,5,2023/8/10,6,2023/8/10,7,2.单元操作（Unit Operation）单元操作按其遵循的基本规律分类：（1）遵循流体动力学基本规律的单元操作：包括流体输送、沉降、过滤、固体流态化等；（2）遵循热量传递基本规律的单元操作：包括加热、冷却、冷凝、蒸发等；（3）遵循质量传递基本规律的单元操作：包括蒸馏、吸收、萃取、结晶、干燥、膜分离等；,2023/8/10,8,2023/8/10,9,单元操作的研究内容与方向：,研究内容,研究方向,2023/8/10,10,0.2 单位制与单位换算,一、基本单位与导出单位,基本单位：选择几个独立的物理量，以使用方便为原则规定出它们的单位；,导出单位：根据其本身的意义，由有关基本单位组合而成。,单位制度的不同，在于所规定的基本单位及单位大小不同。,2023/8/10,11,二、常用单位制,我国法定单位制为国际单位制（即SI制）,2023/8/10,12,三、单位换算,物理量的单位换算,换算因数：同一物理量，若单位不同其数值就不同，二者包括单位在内的比值称为换算因数。（附录二）,经验公式的单位换算,经验公式是根据实验数据整理而成的，式中各符号只代表物理量的数字部分，其单位必须采用指定单位。,2023/8/10,13,以单位时间为基准，如：h，min，s。参数=f(x,y,z),以每批生产周期所用的时间为基准。参数=f(x,y,z,),稳定操作 非稳定操作,0.3 物料衡算与能量衡算,2023/8/10,14,衡算,(1)物料衡算（质量衡算）,物料衡算反映原料、产品、损失等各种物料流股间量(质量/摩尔流量)的关系。,总体衡算(稳态)其范围可以是某设备的大部分、全部，或是由几个设备组成的一段生产流程、一个车间甚至整个工厂。,2023/8/10,15,物料衡算可以表示为：GI=GO+GA(0-2),此式为总物料衡算式，也适用于物料中的某个组分。如精馏：,注意：在有化学反应的情况下，物料衡算式只适用于任一元素的衡算。,2023/8/10,16,例1(清华版，P6)：稳态时的总物料衡算及组分物料衡算,解：首先根据题意画出过程的物料流程图,生产KNO3的过程中，质量分率为0.2的KNO3水溶液，以 F=1000 kg/h 的流量送入蒸发器，在422K下蒸发出部分水得到50%的浓KNO3溶液。然后送入冷却结晶器，在311K下结晶，得到含水0.04 的KNO3结晶和含KNO3 0.375的饱和溶液。前者作为产品取出,后者循环回到蒸发器。过程为稳定操作，试计算KNO3结晶产品量P、水分蒸发量W和循环的饱和溶液量R。,2023/8/10,17,蒸发器 422K,冷却结晶器 311K,F=100020%,S 50%,R,37.5%,W,0.0%,P1-0.04,解题思路：题求三个量，如何列物料衡算式。首先考虑划定适宜的物衡范围以利于解题。,1求KNO3结晶产品量P,按虚线框作为物料衡算范围，只涉及两个未知量。GI=GO+GA,2023/8/10,18,KNO3 组分的物料衡算：F20%=W 0%+P(100 4)%1000 20%=0+P 96%则：P=208.3 kg/h,2水分蒸发量W(物衡范围同1.)总物料衡算式：F=W+P 则：W=FP=1000208.3=791.7 kg/h,3循环的饱和溶液量R 此时以蒸发器或冷却结晶器划定为物衡范围均可，但前者涉及4个量，后者仅3个量1个已知，因此宜以结晶器为衡算范围。,总物衡式：S=R+P 即：S=R+208.3,2023/8/10,19,KNO3组分物衡：0.5S=0.375R+0.96P,两式联立解得：R=766.6 kg/h,例2：非稳态时的物料衡算（P6例 0-4）用1.5m3/s送风量将罐内有机气体由6%吹扫至0.1%(体积)，求所需时间。,解：罐内气体浓度随时间变化，用微分衡算。,2023/8/10,20,在d时间内，对有机气体的“体积”作衡算：根据 GI=GO+GA，有,1.5 m3/s 空气0d=1.5 m3/s有机气 vd+,整理并积分：,2023/8/10,21,(2)能量衡算,能量有很多种，如机械能、热能、电能、磁能、化学能、原子能、声能、光能等。,化工过程中主要涉及物料的温度与热量的变化，因此：,热量衡算是化工中最常用的能量衡算。,质量衡算与能量衡算的异同点：,同：都须划定衡算的范围和时间基准。,异：1)热量衡算须选择物态和温度基准，这是因为物料所含热量（焓）是温度和物态的函数。液态物质的温度基准常取 273K。2)对于有化学反应的系统，须考虑反应物、生成物的差异，因为既使同温，若浓度不同，则它们的焓值及反应热亦不同。3)热量除随物料输入/出外，还可通过热量传递的方式输入/出系统。,2023/8/10,22,热量衡算的依据是能量守恒定律，即：,QI=QO+QL+QA,式中下标符号的意义:I:进入 O:离开 L:散失 A:积累,例3(P8 例 0-5),溶液的平均比热为3.56kJ/(kg.)求：换热器热损失QL占水蒸气提供热量的百分数?,2023/8/10,23,解：,查P357附录九：120水蒸气焓值为2708.9kJ/kg，120饱和水焓值为503.6kJ/kg。,稳定操作无积累QA=0，则有 QI=QO+QL 即蒸汽带入Q1+溶液带入Q2=凝液带出Q3+溶液带出Q4+QL,如图虚线为衡算范围,Q1=0.0952708.9=257.3 kwQ2=1 3.56(25 0)=89 kwQ3=0.095 503.67=47.8 kwQ4=1 3.56(80 0)=284.8 kw,即：,热损失：,2023/8/10,24,例4 非稳定热量衡算举例,W=8t/hT3=100,水蒸气,冷凝水,G=20t,罐内盛有20t重油，初温T1=20，用外循环加热法进行加热，重油循环量W=8t/h。循环重油经加热器升温至恒定的100后又送回罐内，罐内的油均匀混合。问：重油从T1升至T2=80需要多少时间，假设罐与外界绝热（QL=0）。,解：,非稳态，有QA项，以罐为物衡范围，1h为时间基准，0为温度基准。,2023/8/10,25,在d时间内：输入系统重油的焓=WCpT3 d输出系统重油的焓=WCpTd系统内积累的焓=GCpdT,则：热衡式：WCpT3 d=WCpTd+GCpdT化简得：W(T3T)d=GdT,积分有：,2023/8/10,26,第一章 流体流动Flow of Fluid,2023/8/10,27,1.1 流体的物理性质,1.2 流体静力学基本方程,1.3 流体流动的基本方程,1.4 流体流动现象,1.5 流体在管内的流动阻力,1.6 管路计算,1.7 流量的测量,2023/8/10,28,1.研究流体流动问题的重要性,因此，流体流动成为各章都要研究的内容。流体流动的基本原理和规律是“化工原理”的重要基础。,流体流动的强度对热和质的传递影响很大。强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动条件和规律。,传热 冷、热两流体间的热量传递；传质 物料流间的质量传递。,化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动是各种单元操作中普遍存在的现象。如：,2023/8/10,29,流体流动规律在流体输送及传热/质方面的应用在以后各章具体介绍。,2.本章主要研究内容：,1流体流动规律(主要管内)流体动力学；静止流体的规律流体静力学；流体静力学在测量压强、流速(量)、液位及保持 设备内压强(或常压)方面的应用,从工程实际情况出发，流动规律的研究采用宏观方法，主要研究流体的宏观运动规律。因此将流体视为“连续介质”无数微团(或称质点)组成，其间无间隙、完全充满所占据的空间。高真空状态除外!,流体流动的研究方法：,2023/8/10,30,3.流体在流动中受到的力,b.表面力作用于流体质点表面的力，与表面积成 正比。表面力一般分为两类：一为垂直于表面的力称压力，一为平行于表面的力称剪力。,a.体积力作用于每个质点上的力，与流体质量成正比。对于质量均匀的流体则与体积成正比。重力和离心力是两个典型的体积力。,2023/8/10,31,4.流体的特征,具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。,不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化，如液体；可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化，如气体。,2023/8/10,32,1.1 流体的物理性质,1.1.1 密度一、定义 单位体积流体的质量，称为流体的密度。,kg/m3,二、单组分密度,液体 密度仅随温度变化（极高压力除外），其变 化关系可从手册中查得。,2023/8/10,33,气体 当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算：,注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。,M气体的摩尔质量;R8.315103 J/(kmolK)下标“”表示标准状态,实际上，某状态下理想气体的密度可按下式进行计算：,2023/8/10,34,三、混合物的密度,混合气体 各组分在混合前后质量不变，则有,气体混合物中各组分的体积分率。,或,混合气体的平均摩尔质量,气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。,2023/8/10,35,混合液体 假设各组分在混合前后体积不变，则有,液体混合物中各组分的质量分率。,四、比容,单位质量流体具有的体积，是密度的倒数。,m3/kg,2023/8/10,36,流体静力学,流体静力学主要研究流体静止时流体内部各种物理量的变化规律，特别是在重力场作用下，静止流体内部的压力变化规律。,1.2 流体静力学基本方程式,2023/8/10,37,1.2.1 静止流体的压力,流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。,一、压力的特性 流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；任意界面两侧所受压力，大小相等、方向相反；作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。,二、压力的单位,SI制：N/m2或Pa；,2023/8/10,38,或以流体柱高度表示：,注意：用液柱高度表示压力时，必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。,标准大气压的换算关系：1atm=1.013105Pa=760mmHg=10.33m H2O,三、压力的表示方法,绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度 以大气压为基准测得的压力。,2023/8/10,39,表 压=绝对压力 大气压力真空度=大气压力 绝对压力,注：表压强和真空度均需加以标注。,2023/8/10,40,1.1.3 流体静力学基本方程式,一、静力学基本方程,重力场中对液柱进行受力分析：,（1）上端面所受总压力,（2）下端面所受总压力,（3）液柱的重力,设流体不可压缩，,方向向下,方向向上,方向向下,p1,p2,2023/8/10,41,液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:,静力学基本方程,压力形式,能量形式,2023/8/10,42,讨论：,（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体；（2）物理意义：,单位质量流体所具有的位能，J/kg；,单位质量流体所具有的静压能，J/kg。,在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。,2023/8/10,43,（3）在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面。,当流体由两种以上组成(液体在管内夹带气泡流动、两种以上的液体等)时，应逐段计算。,（4）压力具有传递性：液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。,(6)气体有较大压缩性 上述各式用于气体时，只能在p变化不大的条件下才能使用。但一般而言，化工容器中可忽略T，p的影响。,2023/8/10,44,P14 例1-3 开口容器，油层厚h1=0.7m，1=800kg/m3；水层厚h2=0.7 m，2=1000 kg/m3。，,否?求 h=?(mH2O),解：,2023/8/10,45,二、静力学基本方程的应用,1.压强及压强差的测量,（1）U形压差计,设指示液的密度为，被测流体的密度为。,A与A面 为等压面，即,而,2023/8/10,46,所以,整理得,若被测流体是气体，则有,斜管压差计,当测量压差较小时，为了扩大R的读数，常将U形管倾斜放置，是为倾斜U管压差计。,2023/8/10,47,讨论：,（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；,表压,真空度,2023/8/10,48,（2）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。应根据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。,2023/8/10,49,思考：若U形压差计安装在倾斜管路中，此时读数 R反映了什么？,2023/8/10,50,（2）双液体U管压差计,扩大室内径与U管内径之比应大于10。,适用于压差较小的场合。,密度接近但不互溶的两种指示 液A和C；,2023/8/10,51,例：测量气体的微小压差，试问用 U形管压差计，苯为指示液，读数R=？；倾斜U管压差计，苯为指示液,=30，读数R=？微差压差计，苯和水为指示液，读数R=？,2023/8/10,52,解：忽略空气密度的影响，下标A为苯，B为水。查苯的密度为879 kg/m3，有：,2023/8/10,53,例 如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，,指示液为水银，读数 R250mm，h900mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度1000kg/m3，水银的密度13600kg/m3。试计算该截面处的压力。,2023/8/10,54,例如附图所示，蒸汽锅炉上装一复式压力计，指示液为水银，两U形压差计间充满水。相对于某一基准面，各指示液界面高度分别为,Z0=2.1m,Z2=0.9m,Z4=2.0m,Z6=0.7m,Z7=2.5m。试计算锅炉内水面上方的蒸汽压力。,2023/8/10,55,因为容器和平衡室上方的压强相同，如此可得等式：,Pa=g H=g（H-h-R）+指gR,解得：h=R（指-）/,由此可见，液面越低（h越大），压差越大。液面越高，压差越小，达最高液位时，压差为零。,因此，压差的大小直接反映了液位的高低。此为液位测量原理。,（1）近距离液位测量装置,2023/8/10,56,（2）远距离液位测量装置,已知两吹气管出口间距H1=1m，煤油=820kg/m3，水=1000kg/m3，Hg=13600kg/m3。求：当R=67mm时，两相界面距上吹气管出口端距离h。,2023/8/10,57,解：,计算结果表明：以压差计读数为信号，控制底部排水阀的开度，就可以使界面维持在两吹气管出口之间。,2023/8/10,58,3.液封高度的计算,液封作用：确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出；防止气柜内气体泄漏。,液封高度：,维持压力容器(设备)内压力不超标称“安全液封”,2023/8/10,59,1.3 流体流动的基本方程,1.3.1 流量与流速,1.3.2 稳态流动与非稳态流动,1.3.3 连续性方程,1.3.4 柏努利方程,2023/8/10,60,1.体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。VSm3/s或m3/h2.质量流量 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。wSkg/s或kg/h。,二者关系：,一、流量,1.3.1 流体的流量与流速,2023/8/10,61,二、流速,2.质量流速 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。,流速（平均流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。,kg/（m2s）,流量与流速的关系：,m/s,2023/8/10,62,对于圆形管道：,流量VS一般由生产任务决定。,流速选择：,三、管径的估算,2023/8/10,63,常用流体适宜流速范围：,水及一般液体 13 m/s粘度较大的液体 0.51 m/s低压气体 815 m/s压力较高的气体 1525 m/s,2023/8/10,64,1.3.2 稳态流动与非稳态流动,稳态流动：各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；,非稳态流动：流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化。,2023/8/10,65,1.3.3 连续性方程,对于稳态流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：,推广至任意截面,连续性方程,2023/8/10,66,不可压缩性流体，,圆形管道：,连续性方程反映了稳态下，流量一定时管路各截面流速的变化规律。常用它求：不同A下的u或不同u下的A(或d)。,2023/8/10,67,例1-3 如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两段573.5mm的分支管3a及3b连接而成。若水以9103m/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。,2023/8/10,68,1.3.4 柏努利方程,1、流动系统的总能量衡算,2023/8/10,69,（1）内能 贮存于物质内部的能量。1kg流体具有的内能为U（J/kg）。,衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成空间衡算基准：1kg流体基准面：0-0水平面,（2）位能 流体受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流体所具有的位能为zg（J/kg）。,注意：位能是相对值，高于基准面时为正，低于时为负。,2023/8/10,70,（3）动能 1kg的流体所具有的动能为(J/kg),（4）静压能,静压能=,（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为(J/kg)。,2023/8/10,71,（6）外功(有效功)1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We(J/kg)。,以上能量形式可分为两类：,机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输 送流体；内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。,2023/8/10,72,2流动系统的机械能衡算式与柏努利（Bernoulli）方程式,假设 流体不可压缩，则 流动系统无热交换，则 流体温度不变，则,(1)以单位质量流体为基准,设1kg流体损失的能量为hf（J/kg），有：,(1),式中各项单位为J/kg。,并且实际流体流动时有能量损失。,2023/8/10,73,（2）以单位重量流体为基准,将(1)式各项同除重力加速度g:,令,式中各项单位为,2023/8/10,74,z 位压头,动压头,He外加压头或有效压头。,静压头,总压头,Hf压头损失,2023/8/10,75,（3）以单位体积流体为基准,将(1)式各项同乘以:,式中各项单位为,（3）,压力损失,2023/8/10,76,3理想流体的机械能衡算,理想流体是指流动中没有摩擦阻力的流体。,（4）,（5）,柏努利方程式,2023/8/10,77,4.柏努利方程的讨论,（1）若流体处于静止，u=0，hf=0，We=0，则柏努利方程变为,说明柏努利方程即表示流体的运动规律，也表示流体静止状态的规律。,（2）理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，即,2023/8/10,78,2023/8/10,79,We、hf 在两截面间单位质量流体获得或消耗的能量。,（3）zg、某截面上单位质量流体所具有的位能、动能和静压能；,有效功率：,轴功率：,2023/8/10,80,（4）柏努利方程式适用于不可压缩性流体。对于可压缩性流体，当 时，仍可用该方程计算，但式中的密度应以两截面的平均密度m代替。,2023/8/10,81,管内流体的流量；容器间的相对位置；输送设备的有效功率；管路中流体的压强；,利用柏努利方程与连续性方程，可以确定：,1.3.5柏努利方程式的应用,2023/8/10,82,（1）根据题意画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围；,（2）位能基准面的选取 必须与地面平行；宜于选取两截面中位置较低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选过管中心线的水平面。,应用柏努利方程解题要点：,2023/8/10,83,（4）各物理量的单位应保持一致，压强的表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。,（3）截面的选取 与流体的流动方向相垂直；两截面间流体应是定态连续流动；截面宜选在已知量多、计算方便处。,2023/8/10,84,例:（p26 1-12)如图，常温水自下向上定态流动，p1=169 KPa,p2=150 KPa,流动过程中能量损失很小。求：ws=?,解：取11面为基准，在11和2 2之间没有外功加入，能量损失忽略，列柏努利方程：,代入方程式中得到:u2=3.02 m/s ws=192000 kg/h,一、确定管道中流体的流量,2023/8/10,85,二、确定容器间的相对位置,例（p28例1-11）高位槽液面恒定，料液=850kg/m3，塔内表压9.81kPa，Vh=5m3/h，hf=10.30 J/kg(不含出口阻力)。求：液面比管出口中线高多少m？,解：设槽液面为1-1，管出口内侧为2-2。,代入解得：,2023/8/10,86,三、输送设备的功率,解：泵的轴功率N=Ne/=Wews/，在1-1 2-2间列柏式,2023/8/10,87,（1）,2023/8/10,88,由图可见p2要通过p3求取，在3-3 4-4间列柏式，且以4-4为基准，有：,（表压）,2023/8/10,89,代入式(1),解得：,四、确定管路中流体的压强,P30例1-13水在等径虹吸管内流动，阻力略，求管内2,3,4,5,6各点压强。当地大气为760mmHg。,2023/8/10,90,解：稳态，以2-2为基准面在1-1 6-6间列柏式求流速。,由连续性方程得：,或：,2023/8/10,91,根据本题情况，各截面总机械能E相等。,且：,同理，其它各截面：,思考：与22同截面的槽内压强p2为多少？P2或p2?,2023/8/10,92,1.4 流体流动现象,1.4.1 流体的流动类型与雷诺数,1.4.2 流体在圆管内流动时的速度分布,1.4.3 边界层的概念,2023/8/10,93,1.4.1 流动类型与雷诺数,一、雷诺实验与雷诺数,1.4 管内流体流动现象,2023/8/10,94,层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合；,湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。,二、流型判据雷诺准数,无因次数群,2023/8/10,95,判断流型Re2000时，流动为层流，此区称为层流区；Re4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；2000 Re 4000 时，流动可能是层流，也可能是湍流，该区称为不稳定的过渡区。,2.物理意义,Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系，标志着流体流动的湍动程度。,2023/8/10,96,1.4.2 流体在圆管内的速度分布,速度分布：流体在圆管内流动时,管截面上 质点的速度随半径的变化关系。,一、层流时的速度分布,2023/8/10,97,由压力差产生的推力,流体层间内摩擦力,管壁处rR时，u0，可得速度分布方程,2023/8/10,98,管中心流速为最大，即r0时,uumax,管截面上的平均速度:,即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。,即流体在圆形直管内层流流动时，其速度呈抛物线分布。,2023/8/10,99,二、湍流时的速度分布,剪应力：,e为湍流粘度，与流体的流动状况有关。,湍流速度分布的经验式：,2023/8/10,100,n与Re有关，取值如下：,当 时，流体的平均速度:,2023/8/10,101,1.4.3 边界层的概念一、边界层的形成与发展,流动边界层：存在着较大速度梯度的流体层区域，即流速降为主体流速的99以内的区域。边界层厚度：边界层外缘与壁面间的垂直距离。,2023/8/10,102,流体在平板上流动时的边界层：,2023/8/10,103,边界层区（边界层内）：沿板面法向的速度梯度很大，需考虑粘度的影响，剪应力不可忽略。主流区（边界层外）：速度梯度很小，剪应力可以忽略，可视为理想流体。,2023/8/10,104,边界层流型：层流边界层和湍流边界层。,层流边界层：在平板的前段，边界层内的流型为层流。湍流边界层：离平板前沿一段距离后，边界层内的流型转为湍流。,2023/8/10,105,流体在圆管内流动时的边界层,2023/8/10,106,充分发展的边界层厚度为圆管的半径；进口段内有边界层内外之分。也分为层流边界层与湍流边界层。,进口段长度：层流：湍流：,2023/8/10,107,湍流流动时：,2023/8/10,108,湍流主体：速度脉动较大，以湍流粘度为主，径向传递因速度的脉动而大大强化；过渡层：分子粘度与湍流粘度相当；层流内层：速度脉动较小，以分子粘度为主，径向传递只能依赖分子运动。,层流内层为传递过程的主要阻力,Re越大，湍动程度越高，层流内层厚度越薄。,2023/8/10,109,2.边界层的分离,2023/8/10,110,A C：流道截面积逐渐减小，流速逐渐增加，压力逐渐减小（顺压梯度）；C S：流道截面积逐渐增加，流速逐渐减小，压力逐渐增加（逆压梯度）；S点：物体表面的流体质点在逆压梯度和粘性剪应力的作用下，速度降为0。SS以下：边界层脱离固体壁面，而后倒流回来，形成涡流，出现边界层分离。,2023/8/10,111,边界层分离的后果：产生大量旋涡；造成较大的能量损失。,边界层分离的必要条件：流体具有粘性；流动过程中存在逆压梯度。,2023/8/10,112,1.5 流体在管内的流动阻力,1.5.1 直管阻力,1.5.2 局部阻力,2023/8/10,113,1.5 流体流动阻力,直管阻力：流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；局部阻力：流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。,1.5.1 流体在直管中的流动阻力,一、阻力的表现形式,2023/8/10,114,流体在水平等径直管中作定态流动。,2023/8/10,115,若管道为倾斜管，则,流体的流动阻力表现为静压能的减少；水平安装时，流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。,2023/8/10,116,二、直管阻力的通式,由于压力差而产生的推动力：,流体的摩擦力：,令,定态流动时,2023/8/10,117,直管阻力通式（范宁Fanning公式）,其它形式：,摩擦系数（摩擦因数）,该公式层流与湍流均适用；注意 与 的区别。,2023/8/10,118,三、层流时的摩擦系数,速度分布方程,又,哈根-泊谡叶（Hagen-Poiseuille）方程,2023/8/10,119,能量损失,层流时阻力与速度的一次方成正比。,变形：,比较得,2023/8/10,120,四、湍流时的摩擦系数,1.因次分析法,目的：（1）减少实验工作量；（2）结果具有普遍性，便于推广。,基础：因次一致性 即每一个物理方程式的两边不仅数值相等，而且每一项都应具有相同的因次。,2023/8/10,121,基本定理：白金汉（Buckinghan）定理 设影响某一物理现象的独立变量数为n个，这些变量的基本因次数为m个，则该物理现象可用N（nm）个独立的无因次数群表示。,湍流时压力损失的影响因素：（1）流体性质：，（2）流动的几何尺寸：d，l，（管壁粗糙度）（3）流动条件：u,2023/8/10,122,物理变量 n 7基本因次 m3无因次数群 Nnm4,无因次化处理,式中：,欧拉（Euler）准数,即该过程可用4个无因次数群表示。,2023/8/10,123,相对粗糙度,管道的几何尺寸,雷诺数,根据实验可知，流体流动阻力与管长成正比，即,或,2023/8/10,124,莫狄（Moody）摩擦因数图：,2023/8/10,125,（1）层流区（Re 2000）与 无关，与Re为直线关系，即,即 与u的一次方成正比。,（2）过渡区（2000Re4000),将湍流时的曲线延伸查取值。,（3）湍流区（Re4000以及虚线以下的区域）,2023/8/10,126,（4）完全湍流区（虚线以上的区域）,与Re无关，只与 有关。,该区又称为阻力平方区。,一定时，,经验公式：,（1）柏拉修斯（Blasius）式：,适用光滑管Re5103105,（2）考莱布鲁克（Colebrook）式,2023/8/10,127,2.管壁粗糙度对摩擦系数的影响,光滑管：玻璃管、铜管、铅管及塑料管等；粗糙管：钢管、铸铁管等。,绝对粗糙度：管道壁面凸出部分的平均高度。相对粗糙度：绝对粗糙度与管内径的比值。,层流流动时：流速较慢，与管壁无碰撞，阻力与 无关，只与Re有关。,2023/8/10,128,湍流流动时：,水力光滑管只与Re有关,与 无关。,完全湍流粗糙管只与 有关，与Re无关。,2023/8/10,129,例1-7 分别计算下列情况下，流体流过763mm、长10m的水平钢管的能量损失、压头损失及压力损失。（1）密度为910kg/m3、粘度为72cP的油品，流速为1.1m/s；（2）20的水，流速为2.2 m/s。,2023/8/10,130,五、非圆形管内的流动阻力,当量直径：,套管环隙，内管的外径为d1，外管的内径为d2:,边长分别为a、b的矩形管:,2023/8/10,131,说明：（1）Re与Wf中的直径用de计算；（2）层流时：,正方形 C57套管环隙 C96,（3）流速用实际流通面积计算。,2023/8/10,132,1.5.2 局部阻力,一、阻力系数法,将局部阻力表示为动能的某一倍数。,或,局部阻力系数,J/kg,J/N=m,2023/8/10,133,1.突然扩大,2023/8/10,134,2.突然缩小,2023/8/10,135,3.管进口及出口进口：流体自容器进入管内。进口=0.5 进口阻力系数出口：流体自管子进入容器或从管子排放到管外 空间。出口=1 出口阻力系数4.管件与阀门,2023/8/10,136,2023/8/10,137,2023/8/10,138,蝶阀,2023/8/10,139,2023/8/10,140,2023/8/10,141,二、当量长度法,将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为Le的直管所产生的阻力。,Le 管件或阀门的当量长度，m。,部分管件和阀门的当量长度见p58图1-29,2023/8/10,142,总阻力：,减少流动阻力的途径：,管路尽可能短，尽量走直线，少拐弯；尽量不安装不必要的管件和阀门等；管径适当大些。,2023/8/10,143,例1-8 如图所示，料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为0.2at（表压），送液管道为452.5mm、长8m的钢管。管路中装有180回弯头一个，全开标准截止阀一个，90标准弯头一个。塔的进料量要维持在5m3/h，试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米？,2023/8/10,144,1.6 管路计算,1.6.1 简单管路,1.6.2 复杂管路,2023/8/10,145,1.6 管路计算,1.6.1 简单管路,一、特点,（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变。,(2)整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和。,不可压缩流体,2023/8/10,146,二、管路计算,基本方程：,连续性方程：,柏努利方程：,阻力计算（摩擦系数）：,物性、一定时，需给定独立的9个参数，方可求解其它3个未知量。,2023/8/10,147,（1）设计型计算,设计要求：规定输液量Vs，确定一经济的管径及供液点提供的位能z1(或静压能p1)。给定条件：（1）供液与需液点的距离，即管长l；（2）管道材料与管件的配置，即及；（3）需液点的位置z2及压力p2；（4）输送机械 We。,2023/8/10,148,（2）操作型计算,已知：管子d、l，管件和阀门，供液点z1、p1，需液点的z2、p2，输送机械 We；求：流体的流速u及供液量VS。,已知：管子d、l、管件和阀门、流量Vs等，求：供液点的位置z1；或供液点的压力p1；或输送机械有效功We。,2023/8/10,149,当管径d和流速u(或Vs)未知。则无法求Re判断流型确定。只有采用试差法。其步骤为：,注意：管路计算中常用的方法试差法（自学）,p52 习1-24,2023/8/10,150,三、阻力对管内流动的影响,阀门F开度减小时：,（1）阀关小，阀门局部阻力系数 hf,A-B 流速u 即流量；,2023/8/10,151,（2）在1-A之间，由于流速u hf,1-A pA；,（3）在B-2之间，由于流速u hf,B-2 pB。,结论：（1）当阀门关小时，其局部阻力增大，将使管路中流量下降；（2）下游阻力的增大使上游压力上升；（3）上游阻力的增大使下游压力下降。可见，管路中任一处的变化，必将带来总体的变化，因此必须将管路系统当作整体考虑。,2023/8/10,152,例20苯由地下贮槽泵送至高位槽，V=300l/min，两槽液面高差为10m。吸入管路a上装有一个底阀(按旋启式止回阀全开计)，一个标准弯头；排出管路b上：,解：,一个全开闸阀，一个全开截止阀和三个标准弯头。求泵的轴功率，泵的=70%。,2023/8/10,153,2023/8/10,154,地下槽面为1-1和基准面，高槽面为2-2,2023/8/10,155,1.6.2 复杂管路,一、并联管路,A,1、特点：（1）主管中的流量为并联的各支路流量之和；,2023/8/10,156,（2）并联管路中各支路的能量损失均相等。,不可压缩流体,注意：计算并联管路阻力时，仅取其中一支路即 可，不能重复计算。,2023/8/10,157,2.并联管路的流量分配,而,支管越长、管径越小、阻力系数越大流量越小；反之、流量越大。,2023/8/10,158,二、分支管路与汇合管路,2023/8/10,159,1、特点：（1）主管中的流量为各支路流量之和；,不可压缩流体,（2）流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。,2023/8/10,160,例 泵送=710kg/m3油品，VhA,max=10800kg/h，pA=98.07104Pa(表)；另一支路，VhB,max=6400kg/h，pB=118104Pa(表)；槽C液面一定，pC=49103Pa(表)。,已估计出，管路上阀全开，最大流量时各段能损：,(3,4截面均在管出口内侧)。动能略，泵效为60%，求泵的轴功率Ne。(新条件,旧管路),2023/8/10,161,解：,对于本题的特殊情况(新条件,旧管路)，须考察两条管路中哪条消耗的能量更多。,1.在1-12-2间列柏式：,2023/8/10,162,2.在2-23-3间列柏式：,2023/8/10,163,在2-24-4间列柏式：,通过泵的质量流量为：,2023/8/10,164,新情况下泵的轴功率：,两支管的总能+阻损是相等的，对于本题亦然。只是利用旧管路时，2-4支管阀全开，VhB,max=6400kg/h；若2-3支管阀全开，则流量10800 kg/h。操作时为控制最大流量采用关小阀门开度的办法实现(增阻耗能)。,2023/8/10,165,1.7 流速与流量的测量,1